上一文有人提出對于弦理論解釋相對論與量子力學(xué)矛盾的答案不太滿意，今天就來詳細(xì)解釋一下，為什么弦理論就能擁有強(qiáng)大的解釋能力？

要準(zhǔn)確地理解弦理論解決問題的中心思想，我們首先要明白在原本的量子場論中，為什么在結(jié)合相對論的條件下，會出現(xiàn)無窮大的計(jì)算結(jié)果。

過去，我們一直認(rèn)為物質(zhì)是粒子性的，最小的單位結(jié)構(gòu)應(yīng)該是零維的點(diǎn)。那就以此為基礎(chǔ)我們來推論一下，假如最微觀的物質(zhì)就是點(diǎn)粒子，我們用它來探測微觀世界，將會出現(xiàn)怎樣的結(jié)果？

我們想象一下在高能加速器里兩個(gè)粒子加速然后相撞的場景，其最后的結(jié)果一定會因?yàn)閮蓚€(gè)的碰撞而發(fā)生軌道的偏轉(zhuǎn)。當(dāng)然這是低能層次的碰撞，在更高能量的情況下發(fā)生碰撞也許還會發(fā)生粒子破碎的現(xiàn)象。

不過，我們來設(shè)想一下一種比較特殊的碰撞方式，正反物質(zhì)相撞。我們知道，當(dāng)正反物質(zhì)接觸到一起的時(shí)候，會發(fā)生物質(zhì)的湮滅，所有質(zhì)量都會變成純純的能量。假設(shè)目前是一對正反電子正在發(fā)生碰撞，那么在他們接觸的一瞬間，立馬就會湮滅并有光子的生成。

而在其后，光子會迅速逃離，并在一段時(shí)間過后重新生成另外一對正反電子。如果我們以電子是點(diǎn)狀粒子的視角來觀測整個(gè)過程的話，大概就是下圖這種情況。

請大伙注意看，假如粒子是零維的點(diǎn)的話，在正反電子接觸那一瞬間，我們能夠確定一個(gè)十分重要的東西，那就是兩個(gè)粒子碰撞的地方，竟然是一個(gè)確定的點(diǎn)。

別小看這個(gè)結(jié)論，因?yàn)檫@個(gè)結(jié)論就是相對論與量子力學(xué)爆發(fā)矛盾的地方。因?yàn)檫@個(gè)精確的時(shí)空點(diǎn)，對于以任何形式運(yùn)動(dòng)的觀測者來說，都是可以確定的。如果把這個(gè)確定的空間點(diǎn)的結(jié)論進(jìn)行計(jì)算的話，它不僅違背的宏觀世界得出來的相對論結(jié)論，并且還存在著計(jì)算結(jié)果無窮大的問題。

但其實(shí)并非沒有物理學(xué)家注意點(diǎn)這個(gè)問題，點(diǎn)粒子的構(gòu)造的確在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中很難調(diào)和與相對論的矛盾。在弦理論出現(xiàn)之前，也有人嘗試構(gòu)造過一個(gè)非零維的基本物質(zhì)理論，只可惜當(dāng)時(shí)失敗了。比如泡利和海森堡狄拉克費(fèi)曼等人，就提出過我們的世界可能并不是由一些基本點(diǎn)組成的觀點(diǎn)。但在當(dāng)時(shí)，由于理論物理的固有觀念，他們發(fā)現(xiàn)如果我們用一些其它結(jié)構(gòu)來代替點(diǎn)粒子結(jié)構(gòu)的話，會出現(xiàn)很多不可思議的結(jié)論，導(dǎo)致違背量子力學(xué)和相對論。采用完全不同的物質(zhì)結(jié)構(gòu)，還要滿足當(dāng)下理論的條件，似乎不太可能。

不過，既然點(diǎn)粒子結(jié)構(gòu)說不通，那么弦理論怎么就能解決這個(gè)問題呢？

同樣是上面那個(gè)實(shí)驗(yàn)，假設(shè)正反電子的結(jié)構(gòu)是一維的弦，又會呈現(xiàn)怎樣的實(shí)驗(yàn)結(jié)果呢？

基本的過程幾乎差不多，兩根線圈加速后然后相互碰撞。不過所不同的是，碰撞后的弦并不會因此而完全泯滅，而是在碰撞以后生成一根特殊的弦，而這根弦，就是所謂的光子。當(dāng)然這些量子場論也能做，所以最重要的是，怎么解釋碰撞的那一瞬間。

我們假設(shè)在碰撞的那一刻，分別有兩位不同的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的觀測者在同時(shí)對這個(gè)現(xiàn)象進(jìn)行記錄。上文已經(jīng)提到，點(diǎn)狀粒子的時(shí)候，不同觀測者都能確定碰撞的精確位置。那么現(xiàn)在變成了弦，他們還會有相同的看法嗎？

答案是，這一次不會了。對于不同的觀測者，他們對于弦在什么地點(diǎn)相遇的結(jié)論，將會有不同的看法。

跟愛因斯坦研究相對論的思想實(shí)驗(yàn)時(shí)候一樣，我們使兩個(gè)觀測者處于不同的觀測狀態(tài)，一個(gè)處于標(biāo)準(zhǔn)參考系且靜止，另外一個(gè)則處于相對運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)之中。

好，現(xiàn)在我們來請他們來描述上文所說的兩根弦碰撞并發(fā)生作用的全過程。靜止的觀測者一定會說，他看到了兩根弦圈發(fā)生碰撞，并融合成了另外一種全新的弦。

而那個(gè)運(yùn)動(dòng)的觀測者，他還會觀測到相同的現(xiàn)象嗎？但其實(shí)，并不會。從運(yùn)動(dòng)觀測者的視角來說，事件并不會同時(shí)發(fā)生，在空間里同時(shí)發(fā)生的事情會處于不同的時(shí)間點(diǎn)。

對于兩個(gè)觀測者來說，同一事件，對于他們發(fā)生作用的時(shí)間和空間地點(diǎn)，他們卻有不同的看法。因?yàn)樵谒麄兊囊暯抢?，弦也是具有空間大小，具體的情況，將會依賴于觀測者的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

聽到這里的時(shí)候是不是有了一種特別熟悉的感覺？對，這就是相對論。通過把零維的點(diǎn)轉(zhuǎn)化成一維的弦，我們成功地把粒子之間的相互作用相對論化了。

在以前的點(diǎn)狀粒子理論中，如果粒子之間的作用是具有確定的時(shí)空點(diǎn)的話，計(jì)算其它力都還好，但是一旦把它用在引力的計(jì)算上，那么這種把相互作用擠在一起的算法，將會帶來無窮大的結(jié)果。

相反，如果把粒子看成弦的話，相對論的結(jié)論就有用武之地了。由于觀測者通過相對論效應(yīng)能觀測到不同的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，所以如果把其運(yùn)用到引力的計(jì)算的話，所謂的無窮大結(jié)果也將變得有限。而這個(gè)過程，就是我上文所講的弦通過擴(kuò)張把時(shí)空抹平的辦法。

就這樣，由于我們成功地把量子力學(xué)相對論化了，原來困難重重的矛盾，我們現(xiàn)在也可以成功地化解了。在原來的觀念中，微觀世界沒有最小而只有更小。但弦理論告訴我們，普朗克尺度以下的瘋狂量子世界是不存在的，我們的世界不可能無限地精細(xì)下去。這就跟不確定性原理一樣，并非我們做不到，而是世界就是這樣，物理學(xué)定律限制了我們對于微觀世界的認(rèn)知。當(dāng)代物理學(xué)的核心矛盾，某種程度上來說其實(shí)是我們生造出來的。以前我們總是在任意尺度下思考問題，但弦理論告訴我們，有些事情是不可逾越的。我們的宇宙，存在著一個(gè)空間的極限距離，那就是普朗克尺度。采用哲學(xué)的阿卡姆剃刀原理，如無必要，勿增實(shí)體。我們做理論物理的研究，最好如此。一條我們永遠(yuǎn)觀測不到的龍與世界并不在龍的說法，某種意義上其實(shí)是等價(jià)的。

所以由上所知，廣義相對論與量子力學(xué)的矛盾是我們假設(shè)普朗克尺度以下世界存在才有的問題，而我們的世界如果不可能擁有對它的認(rèn)知，那么矛盾也就不存在了。就這樣，在弦理論的幫助下，兩個(gè)物理學(xué)的終極理論，終于可以握手言和了。

好了，對于第一次超弦革命的弦理論是如何解決問題的內(nèi)容暫時(shí)就介紹到這里。通過以上知識點(diǎn)我們知道，弦能夠做很多事兒，比如很好地描述量子力學(xué)框架，比如通過共振預(yù)言了引力子，比如說明了點(diǎn)狀粒子結(jié)構(gòu)的局限性。

但這里便出現(xiàn)了一個(gè)問題，我們知道弦理論是一個(gè)純理論，其結(jié)論并沒有真正驗(yàn)證過，那么我們又怎么就一定能夠確定弦理論有關(guān)一維弦的論述是正確的呢？那么有沒有可能我們最微觀的世界其實(shí)并不是一維的弦而是二維的膜或者三維的體呢？

這個(gè)說法很有意思，并非沒有道理。實(shí)際上，有很多物理學(xué)家也是這么想的。上個(gè)世紀(jì)九十年代由威騰等人引起的第二次超弦革命，就引發(fā)相關(guān)的討論。弦理論實(shí)際上可能還包含著許多不同維度的東西，比如二維膜三維體，比如還有更多奇奇怪怪的東西。弦理論的研究者們認(rèn)為在我們的世界中，其實(shí)存在著更高維度的世界。

而這，就是我們接下來要講的內(nèi)容。

好了，今之文到此結(jié)束

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